CN117672417A - 一种表面有限催化模型自定义接口设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，属于空气动力学领域，包括步骤：基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。本发明解决了一般边界条件接口设计难以适应和兼顾多种有限催化模型条件的高效集成与计算应用问题，大幅降低了表面催化模型功能拓展及二次开发的难度。
Description
技术领域
本发明涉及空气动力学领域，更为具体的，涉及一种表面有限催化模型自定义接口设计方法。
背景技术
高超声速热化学非平衡流动是一种流动与热力学效应、化学反应、表面催化/氧化等多种物理效应紧耦合的复杂流动现象，在开展高超流动数值模拟过程中，须综合考虑多种表面效应情形以便精确预示高超飞行器的表面热环境分布，为高超飞行器的热防护设计提供数据支撑。
表面催化条件用于预测近壁处化学组分催化复合反应对气动热的影响大小，是高超热化学非平衡流动模拟常需考虑的一种表面效应问题。表面催化条件包括完全催化、完全非催化以及有限催化等主要类型。完全催化和完全非催化是两种理论上的极限情形。在完全催化假设条件下，近壁处原子完全复合释放最大能量，因此对壁面处总热流增加贡献最大，计算热流密度值也最大。在完全非催化假设条件下，近壁处原子保持原状，没有发生复合反应，不会对总热流产生影响，计算热流密度值最小。
有限催化条件最符合真实物理情形，其通过催化复合系数表征参与复合反应的粒子数比例，计算热流值介于两种极限情形之间。催化复合系数普遍认为与壁面温度、反应机理、结构材料以及表面光滑度等因素有关，由此建立了各种预测模型，如Stewart-RCG、Zoby-RCG、Scott-RCG、RCC-LVP、CCAT-ACC以及CSiC-SENCMA等。
表面有限催化模型在计算形式、复杂程度等方面各有差异，在高超软件求解器集成使用时，一般边界条件接口设计很难全面兼顾和覆盖，往往采用“一对一”的针对性设计，即需要集成一种有限催化模型时便增加一个函数接口的补丁式编程思想。随着功能拓展及二次开发需求增长，这种功能接口设计将导致计算框架混乱，增加编程复杂难度，更不利于统一管理。因此，有必要设计一类功能覆盖较全面、二次开发维护成本低且效率较高，以及规范统一的表面有限催化模型接口，以方便多种类型表面催化条件的高效集成与计算应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，解决了一般边界条件接口设计难以适应和兼顾多种有限催化模型条件的高效集成与计算应用问题，大幅降低了表面催化模型功能拓展及二次开发的难度。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，包括以下步骤：
基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。
进一步地，所述基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算，具体包括如下子步骤：
步骤S1，适应多种催化模型的UDF参数文件构建设计：考虑完全催化、完全非催化以及有限催化模型中的多种催化条件，提取其计算过程的共同特征，建立UDF参数文件，实现人机交互参数设置功能；
步骤S2，基于多种催化模型UDF文件的I/O解析接口设计：基于步骤S1建立的UDF参数文件，构建解析催化模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF参数文件的关联和转换；
步骤S3，边界条件及催化模型计算接口设计：基于高超CFD求解器框架，在边界条件计算模块中增加壁面组分浓度计算函数模块，实现壁面组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算；
步骤S4，热化学非平衡流场模拟及获取：根据计算条件修改UDF参数文件关联的催化模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新壁面边界处组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面组分和热流密度参数分布。
进一步地，所述UDF参数文件要素包含复合反应式、反应式的催化复合系数以及计算催化复合系数的经验式参数，完全覆盖完全催化条件、完全非催化条件以及有限催化条件。
进一步地，每一个所述复合反应式均有其对应的一套完整计算催化复合系数的经验式参数，具体包括控制温度计算条件参数、分段计算数目以及每个分段计算函数对应的拟合式类型、适用温度区间参数和拟合式系数。
进一步地，每一个所述复合反应式均有其对应的催化复合系数γ i， i=1, 2, …,nr，其中i为复合反应式的编号，nr为表面催化模型对应的复合反应式数目。
进一步地，每个所述分段计算函数由指数函数型拟合式表示。
进一步地，所述控制温度计算条件表示为：
式中，T w为壁面温度，T w *为控制温度，min为最小值函数，max为最大值函数，T 1、T 2分别为控制温度计算条件对应的两个温度参数，在UDF参数文件中以人机交互方式指定，满足和/>；当T 1=30000K且T 2=0K时，该条件退化为T w *=T w。在该实施方案中，实现对特殊有限催化模型条件的全面覆盖。
进一步地，所有所述复合反应式的催化复合系数均取值γ 1=γ 2=…=γ nr=0.0，则表示当前壁面催化条件为完全非催化条件；
如果γ 1=γ 2=…=γ nr=1.0，则表示当前壁面催化条件为完全催化条件；
如果，i=1, 2, …,nr，则表示当前壁面催化条件为有限催化条件，且催化复合系数为给定的常数值，无需给出后续经验式参数；
如果γ i<0或者γ i>1，i=1, 2, …,nr，则表示当前壁面催化条件为有限催化条件，但催化复合系数需由后续经验式参数计算确定。
进一步地，对于地球大气环境，nr=7；对于火星大气环境，nr=5。
进一步地，所述指数函数型拟合式具体包括“”指数型拟合式和“”两类指数型拟合式；其中，T w为壁面温度，a、b分别为拟合式系数，exp为指数函数。
本发明的有益效果包括：
本发明方法所提出和建立的UDF自定义参数文件能够适应多种催化模型的参数设置与高效集成应用需求，具有可读性和拓展能力强、使用灵活等优势，能够满足表面催化效应物理建模及其对高超飞行器气动热环境影响等基础科学问题研究的广泛需求。
本发明所提出和建立的有限催化模型自定义接口设计方法解决了一般边界条件接口设计所带来的二次开发维护性差、效率低的缺点，对多数高超CFD软件求解器框架的兼容性和适应性友好，大幅度降低了功能拓展及二次开发难度。
本发明所提出和建立的有限催化模型自定义接口设计方法对包括地球大气、火星大气等在内的多种化学反应体系均适用，可满足复杂工程型号多物理效应耦合模拟应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为表面催化模型类数据结构设计示意图；
图2为表面催化模型UDF参数文件读取输入函数设计流程图；
图3为表面催化模型计算接口设计示意图；
图4为实例一基于类Apollo返回舱缩比模型计算的壁面热流分布对比；
图5为实例二基于类MSL火星探测器缩比模型计算的壁面热流分布对比。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
本发明技术方案具体的实现过程：
步骤S1，适应多种催化模型的UDF文件构建设计：综合考虑完全催化、完全非催化以及有限催化模型中的CCAT-ACC、Stewart-RCG等多种催化条件，提取其计算过程的共同特征，建立功能覆盖全面、格式规范统一和易于拓展的UDF自定义参数文件，实现人机交互参数设置功能。
具体以地球大气环境热化学非平衡流动模拟为例，化学反应体系及其简化模型主要涉及O、O2、NO、N、N2、O+、O2 +、NO+、N+、N2 +与e-等11种组分，壁面处的催化复合反应主要有R1:O + O =>O2、R2: N + N =>N2、R3: NO++ e-=>NO、R4: O++ e-=>O、R5: N++ e-=>N、R6: O2 ++ e-=>O2和R7: N2 ++ e-=>N2等7个。
催化复合反应被认为是不可逆的，因此复合反应Ri(i=1, 2, …, 7)的反应速率定义为
(1)
式中，γ i为第i个复合反应的表面催化复合系数，M i为第i个复合反应中非电子反应物的分子量，为普适气体常数，T w为壁面温度。
表面催化复合系数γ i表示原子或离子组分复合生成分子的比例系数，用于表征催化复合的程度。γ 1=γ 2=…=γ 7=1.0表示完全催化条件，γ 1=γ 2=…=γ 7=0.0表示完全非催化条件。而对于有限催化条件，(i=1, 2, …, 7)，即各复合反应的表面催化复合系数可以在[0.0， 1.0]区间内任意取值。此外，γ i=0.0也表示对应的复合反应允许被删除，从而可以实现有限催化模型的简化，因此表面催化复合系数γ i是UDF文件设计中一个重要的关键参数，可以用来描述催化条件，也可用于简化催化模型。
最后，表面催化复合系数γ i(i=1, 2, …, 7)普遍认为与壁面温度、反应机理、结构材料以及表面光滑度等因素有关，往往采用与壁面温度T w相关的经验式计算，如LAURA软件提供了CCAT-ACC、CSiC、CSiC-SNECMA、RCC-LVP、Scott-RCG、Stewart-RCG、SiC-cloth、SiC-composite以及Zoby-RCG等9种经验式，它们均采用温度分段指数型拟合式描述，但温度分段形式及指数型拟合式参数略有不同。SiC-cloth和SiC-composite采用形如“”的拟合式计算，其余一类采用形如“/>”的拟合式计算，其中a和b为拟合式系数，T w为壁面温度。为了能区分和描述这些经验式，温度分段区间、指数型拟合式类型以及拟合式系数均是UDF文件设计用于表面催化复合系数建模描述的关键要素。
综上所述，催化模型UDF参数文件需要包含复合反应式、反应式的催化复合系数以及计算催化复合系数的经验式参数等要素。为此，采用了如下表1所示的文件格式设计。
表1表面催化模型UDF自定义参数文件格式
可以看到，UDF参数文件主要分为两大部分，第一部分为第1行所示用于描述有限催化模型所属的大气环境类型，目前主要可以识别地球大气(nGasType=0)和火星大气(nGasType=1)两类，根据计算需要还可另行拓展。第二部分用于描述表面催化模型的主体参数，包括复合反应式以及计算每一个复合反应式速率的相关参数。一旦确定nGasType取值，则复合反应式集合便确定，例如对于地球大气，表面催化模型可以最大存在7个复合反应，于是在这部分参数描述中即将罗列7个反应式的相关计算参数。
进一步地，每一个复合反应式的计算参数体系设计逻辑是相同的，以复合反应式R1: O + O =>O2为例，在化学式其下第一行首先给出表面催化复合系数γ取值，如果，则直接采用该参数设定值计算复合反应式速率系数，并且忽略后续参数设置，直接跳转到下一个复合反应式的参数体系设置中。相反，如果取值γ<0或者γ>1，则表示该催化复合系数需要采用经验式估算，于是接下来设置拟合式的相关参数。拟合式参数设置的第一行给出控制温度计算条件T *= min(T 1, max(T 2,T w))的两个温度值T 1和T 2，紧接着给出温度分段函数个数n_seg(取值n_seg>0的整数)，再接下来根据n_seg取值罗列每个温度分段函数对应的拟合式系数，其描述包含5个参数iForm、T1、T2、a和b，其中iForm表示拟合式类型，0表示“/>”指数型拟合式，1表示“/>”指数型拟合式，后续也可根据计算需要进一步扩展。此外，参数a和b分别记录指数型拟合式的2个系数，T1、T2表示对应拟合式适用温度区间[T1, T2]的两个端点温度值。
综上，上述表1所述UDF参数设置即是还原和描述了CCAT-ACC有限催化模型。CCAT-ACC催化模型计算式如下所示
(2)
式中γ 1、γ 2分别为复合反应式R 1和R 2催化复合系数，T *为控制温度，由壁面温度T w确定。由于壁面温度值不可能为负值，且实际中也很难超过5000K，因此在UDF参数文件中，实际上还可以给出拟合式适用温度范围的下限和上限，以利于UDF参数文件格式的规范统一设计需求，这里的温度上、下限值分别为10000K和0K 。
步骤S2，基于多种催化模型UDF文件的I/O解析接口设计：基于步骤S1所述的UDF文件，构建解析催化模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF文件的关联和转换。
采用S1所述UDF参数文件设计思想，其I/O解析接口设计便可做到统一，其关键在于催化模型的存储数据结构设计。采用面向对象程序设计思想，基于UDF参数文件控制的表面催化模型CatalysisBCModel类数据结构设计如图1所示。
CatalysisBCModel类的成员变量及函数说明如下表2所示。
表2表面催化模型CatalysisBCModel类成员变量及函数说明
此外，关于UDF参数文件的读取输入函数主要流程设计如图2所示。
步骤S3，边界条件及催化模型计算接口设计：基于高超CFD求解器框架，在边界条件计算模块中增加壁面组分浓度计算函数模块，实现壁面组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。
针对步骤S1中7个壁面复合反应以及步骤S2所述UDF参数文件给定的每个复合反应的催化系数，可以建立由前述复合反应引起的质量通量(i=1, 2, …, 10)，具体表达式为：
(3)
式中对应组分的质量通量，i=O、O2、NO、N、N2、O+、O2 +、NO+、N+、N2 +代表具体某个组分，相应的c w,i表示对应组分在壁面处的质量分数，ρ w为壁面处混合气体的密度，此外k w,i(i=1, 2, …, 7)为对应壁面复合反应式采用式(1)计算得到的反应速率。
壁面附近满足表面组分质量守恒条件，即
(4)
式中对应组分i的质量通量，c i、D i分别表示组分i的质量分数和质量扩散系数，ρ为混合气体的密度，n为壁面处的法向量。
对式(4)偏导数项采用一阶偏导数近似简化计算，有
(5)
其中c w,i、c w,1分别为组分i在壁面处和第一层网格上的质量分数，h为第一层网格的壁面距离，对应组分i的质量通量，D i分别表示组分i的质量扩散系数，ρ为混合气体的密度。
联合式(3)和(5)进行计算可以得到壁面处O、O2、NO、N、N2、O+、O2 +、NO+、N+、N2 +等10种组分的质量分数，最后再根据电荷数守恒原理计算电子e-的质量分数，最终得到完整11种组分的质量分数值，并以此数据对壁面边界条件进行赋值和修改，同时参与流场数值迭代过程进行迭代更新，最终完成热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算过程。
在高超CFD求解器的边界条件模块中增添壁面组分浓度计算函数模块，其接口设计如图3所示。该函数主要执行上述计算过程，同时对边界条件进行赋值和修改。在这里，计算每个复合反应速率k w,i(i=1, 2, …, 7)所用到的参数来源于S2所述催化模型的存储数据结构。
步骤S4，热化学非平衡流场模拟及获取：根据计算条件修改UDF文件关联的催化模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新壁面边界处组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面组分、热流密度等参数分布。
高超CFD求解器涉及的热化学非平衡流动控制方程采用守恒积分形式为
(6)
式中、/>分别代表控制体及其包围面，V为控制体单元体积，s为流通面的面积，n为流通面的法向量，/>为来流雷诺数。此外，Q为守恒量向量，F、F v分别为对流通量和粘性通量，W为非平衡源项。
守恒量向量Q、对流通量F、粘性通量F v和非平衡源项W的具体表达式为
(7)
其中n=(n x,n y,n z)为流通面s的法向量，n x、n y、n z分别为法向量n在各个坐标轴方向上的分量，为流体的绝对速度，u、v、w分别为速度在各个坐标轴方向上的分量值；c i、h i、e V,i、D i分别为混合气体中各组元i的质量分数、比焓值、振动能和质量扩散系数，i=1,2,…,ns（ns为混合气体组元总数），ρ、p、T分别为混合气体密度、压强和温度，H为混合气体总焓，e V、E为混合气体的振动能和总内能，κ、κ V分别为混合气体的平动模态热传导系数和振动模态热传导系数，w i为组元i的化学反应生成源项，w V为振动非平衡源项。
此外，τ ij为粘性应力张量，τ xx、τ yy、τ zz、τ xy、τ xz、τ yz分别为粘性应力张量的各个分量值，且u j τ ij满足
(8)
式中μ为混合气体粘性系数，u、v、w分别为笛卡尔坐标系x、y、z三个坐标方向上的速度分量值。
混合气体能量体系的具体关联式为
(9)
式中u、v、w分别为速度在各个坐标轴方向上的分量值，ρ、p、e和h分别为混合气体密度、压强、总比内能和焓值，e tr、e V分别为混合气体的平动能和振动能。
最后，针对热化学非平衡流动控制方程(6)采用LU-SGS数值格式进行离散和迭代求解，当平均残差趋于平稳或达到最大迭代步数时认为流场计算收敛，从而获得化学非平衡定常流动各项参数，如壁面压力分布值、壁面热流分布值等。LU-SGS数值迭代格式可表示为
(10)
式中上标n分别表示计算时刻，*表示中间计算量，R为右端项，L、D、U分别为下三角矩阵、对角矩阵和上三角矩阵，△Q *为临时守恒量增值，△Q n为当前n时刻计算得到的守恒量增值。
需要说明的是，在本发明权利要求书中所限定的保护范围内，以下实施例均可以从上述具体实施方式中，例如公开的技术原理，公开的技术特征或隐含公开的技术特征等，以合乎逻辑的任何方式进行组合和/或扩展、替换。
实施例1
如图4所示，本实施例提供了一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。本实施例应用于高超CFD求解器的壁面催化边界条件设置，同时基于LENS风洞类Apollo返回舱模型开展高超声速热化学非平衡流动模拟，计算模型和实验条件参考文献“MacLean M., Mundy E., Wadhams T., Holden M.Analysis and Ground Test of Aerothermal Effects on Spherical CapsuleGeometries[R]. AIAA 2008-4273, 2008.”。数值模拟采用热力学两温度模型及空气2组分（N/N2）Park化学模型，对流通量选取Steger格式和Vanalbada限制器，CFL数取200，壁面催化条件分别取完全催化、完全非催化和有限催化（γ=0.01）等3类条件（壁面温度T w=300K），16核并行迭代步数40000步。
实施例2
如图5所示，本实施例提供了一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。本实施例应用于高超CFD求解器的壁面催化边界条件设置，同时基于LENS风洞类MSL火星探测器模型开展高超声速热化学非平衡流动模拟，计算模型和实验条件参考文献“Hollis B. R., Prabhu D. K., Maclean M.,and Dufrene A. Blunt-Body Aerothermodynamic Database from High-EnthalpyCarbon-Dioxide Testing in an Expansion Tunnel[J]. Journal of Thermophysicsand Heat Transfer, 2017, 31(3): 712-731.”。数值模拟采用热力学两温度模型及火星气体5组分（O/O2/C/CO/CO2）Park化学模型，对流通量选取Steger格式和Vanalbada限制器，CFL数取200，壁面催化条件分别取完全催化、完全非催化和有限催化等3类条件（壁面温度T w=300K），16核并行迭代步数40000步。
图4基于实例一给出了采用不同催化模型条件计算得到的壁面热流分布对比。可以看到，采用本发明方法所建立的壁面催化边界条件计算得到的热流值与DPLR软件计算值符合较好，证明了本发明所构建的表面催化模型UDF参数文件及其解析I/O接口的有效性和可靠性，能够满足地球大气环境热化学非平衡流动模拟及其表面催化效应条件下气动热环境精准预测的需要。
图5基于实例二给出了采用不同催化模型条件计算得到的壁面热流分布对比。可以看到，采用本发明方法所建立的壁面催化边界条件计算得到的热流值与LAURA软件计算值符合较好，进一步验证了本发明所构建的表面催化模型UDF参数文件及其解析I/O接口的有效性和可靠性，表明本发明所述表面催化模型接口设计方法能够覆盖和满足地球大气和火星大气飞行环境相关的常用表面催化模型条件的使用需求，同时能够满足高超飞行器热化学非平衡流动模拟及其表面催化效应条件下气动热环境精准预测的需要。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现，所描述的单元也可以设置在处理器中。其中，这些单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述各种可选实现方式中提供的方法。
作为另一方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该电子设备执行时，使得该电子设备实现上述实施例中所述的方法。
Claims (10)
1.一种表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算。
2.根据权利要求1所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述基于提取多种催化模型计算条件的共同特征，采用格式规范统一的UDF参数文件设计实现对多种催化模型条件的全面覆盖，同时构建配套的表面催化模型解析I/O接口实现人机交互需求，最后基于边界条件模块增加相应的计算函数接口，实现壁面催化组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算，具体包括如下子步骤：
步骤S1，适应多种催化模型的UDF参数文件构建设计：考虑完全催化、完全非催化以及有限催化模型中的多种催化条件，提取其计算过程的共同特征，建立UDF参数文件，实现人机交互参数设置功能；
步骤S2，基于多种催化模型UDF文件的I/O解析接口设计：基于步骤S1建立的UDF参数文件，构建解析催化模型的存储数据结构，同时建立配套的输入/输出成员函数，实现计算存储数据与UDF参数文件的关联和转换；
步骤S3，边界条件及催化模型计算接口设计：基于高超CFD求解器框架，在边界条件计算模块中增加壁面组分浓度计算函数模块，实现壁面组分条件赋值应用以及热化学非平衡流动模拟与表面催化效应的耦合计算；
步骤S4，热化学非平衡流场模拟及获取：根据计算条件修改UDF参数文件关联的催化模型及其参数，应用在高超CFD求解器数值迭代过程中更新壁面边界处组分浓度分布，直至满足收敛条件时获得最终所需的热化学非平衡稳态流场以及壁面组分和热流密度参数分布。
3.根据权利要求2所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，UDF参数文件的要素包含复合反应式、反应式的催化复合系数以及计算催化复合系数的经验式参数，完全覆盖完全催化条件、完全非催化条件以及有限催化条件。
4.根据权利要求3所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，每一个所述复合反应式均有其对应的一套完整计算催化复合系数的经验式参数，具体包括控制温度计算条件参数、分段计算数目以及每个分段计算函数对应的拟合式类型、适用温度区间参数和拟合式系数。
5.根据权利要求3所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，每一个所述复合反应式均有其对应的催化复合系数γ i， i=1, 2, …, nr，其中i为复合反应式的编号，nr为表面催化模型对应的复合反应式数目。
6.根据权利要求4所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，每个所述分段计算函数由指数函数型拟合式表示。
7.根据权利要求4所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，控制温度计算条件表示为：
式中，T w为壁面温度，T w *为控制温度，min为最小值函数，max为最大值函数，T 1、T 2分别为控制温度计算条件对应的两个温度参数，在UDF参数文件中以人机交互方式指定，满足和/>；当T 1=30000K且T 2=0K时，该条件退化为T w *=T w。
8.根据权利要求5所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，所有所述复合反应式的催化复合系数均取值γ 1=γ 2=…=γ nr=0.0，则表示当前壁面催化条件为完全非催化条件；
如果γ 1=γ 2=…=γ nr=1.0，则表示当前壁面催化条件为完全催化条件；
如果，i=1, 2, …, nr，则表示当前壁面催化条件为有限催化条件，且催化复合系数为给定的常数值，无需给出后续经验式参数；
如果γ i<0或者γ i>1，i=1, 2, …, nr，则表示当前壁面催化条件为有限催化条件，催化复合系数由后续经验式参数计算确定。
9.根据权利要求5所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，对于地球大气环境，nr=7；对于火星大气环境，nr=5。
10.根据权利要求6所述的表面有限催化模型自定义接口设计方法，其特征在于，所述指数函数型拟合式具体包括“”指数型拟合式和“/>”两类指数型拟合式；其中，T w为壁面温度，a、b分别为拟合式系数，exp为指数函数。
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